李 林，白彥輝，孫永樂，王一博 ，王連廣

（1.中鐵七局集團(tuán)第二工程有限公司，遼寧 沈陽 11000，2.東北大學(xué)，遼寧 沈陽 110004）

季節(jié)性凍土地區(qū)的路基，在冬季零下溫度的作用下，內(nèi)部水分結(jié)成冰，路基土體發(fā)生凍脹。因此，需要對(duì)季節(jié)性凍土地區(qū)的路基進(jìn)行保溫處理。我國對(duì)于路基凍害的防治，主要通過在路基內(nèi)部鋪設(shè)保溫板，學(xué)者對(duì)這類問題也進(jìn)行了相關(guān)研究。Cai 等[1]通過保溫試驗(yàn)，對(duì)季凍土地區(qū)路基進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)XPS 材料能夠滿足路基保溫要求，防凍脹效果良好。宋宏芳等[2]通過數(shù)值分析并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對(duì)纖維泡沫混凝土的保溫性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)纖維泡沫混凝土具有良好的保溫特性以及凍融耐久性。目前，針對(duì)保溫材料的鋪設(shè)方式并無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)學(xué)者建議在路基基床處平行于路基面埋置5.20cm 厚的保溫材料，也有些學(xué)者建議平行于路基面埋置保溫材料的同時(shí)在路基邊坡處也埋置保溫材料。王功博等[3]通過現(xiàn)場試驗(yàn)，測試10cm 厚的XPS 保溫板對(duì)路基保溫性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在路基基床表層鋪設(shè)10cm 厚的XPS 保溫板可大幅減少路基凍脹及最大凍結(jié)深度。為此，本文利用ABAQUS 模擬鋪設(shè)保溫板后路基的溫度場和位移場變化情況，研究保溫板材料及其鋪設(shè)位置對(duì)路基保溫性能的影響，并給出最佳保溫材料以及最佳鋪設(shè)參數(shù)。

1 模型建立

1.1 尺寸與單元

路基橫斷面寬13.6m，邊坡坡度為1:1.5，坡腳處向左右兩邊各延伸20m，模型底邊沿地基表面向下延伸20m。路基填筑斷面圖見圖1。根據(jù)平面應(yīng)變?cè)?，建立有限元模型，模型單元類型均采用C3D8PT。

圖1 路基填筑斷面圖

1.2 本構(gòu)模型及材料屬性

對(duì)級(jí)配碎石、弱凍脹AB 組填料、AB 組填料以及ABC 組填料采用修正D-P 帽蓋模型。對(duì)于粉質(zhì)黏土、玄武巖分別采用修正劍橋模型和線彈性模型[4-6]。土水特征曲線見圖2。路基各層填料的力學(xué)參數(shù)見表1，保溫材料屬性見表2，填料層的線膨脹系數(shù)見表3。

表1 路基填料參數(shù)

表2 保溫材料參數(shù)

表3 各填料層線膨脹系數(shù)

1.3 邊界條件及荷載施加

地基底部完全約束，地基左右兩邊僅可產(chǎn)生豎向變形。路基土體各層之間變形協(xié)調(diào)，視為連續(xù)體。各層土體均勻分布，忽略土質(zhì)鹽分和其他礦物質(zhì)的影響，土中水分遷移僅考慮液態(tài)水遷移。忽略陰陽坡溫差、對(duì)流、熱輻射以及水汽蒸發(fā)所引起的影響。路基填筑過程不考慮機(jī)械碾壓作用，僅考慮填料堆載的自身重力。在路基、邊坡及地基表面施加溫度及降水影響，溫度及降水影響為某地一年的變化規(guī)律見圖3 和圖4。

圖3 日平均溫度變化曲線

圖4 全年降雨量

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 保溫材料

在埋深為250mm，保溫板厚度為50mm的情況下，分別鋪設(shè)PU 板、XPS 板和EPS 板的路基，其表面中心處的時(shí)間與豎向位移曲線見圖5。由計(jì)算結(jié)果知，分別鋪設(shè)PU 板、XPS 板和EPS 板的路基，其表面中心處的時(shí)間與豎向位移曲線基本相同，且各自的豎向位移差介于2.03～2.06mm 之間，相差1%，說明三種保溫材料在該工況中的保溫性能幾乎相同。PU 板和XPS 板的閉孔率都能達(dá)到百分之九十以上，防水效果都要優(yōu)于EPS 板，故選用PU 板和XPS 板作為路基保溫材料，還能起到一定防排水作用。另外，雖然PU 板的保溫效果要優(yōu)于XPS 板，但PU 板的造價(jià)高于XPS板。綜合以上考慮，建議在需要給路基設(shè)置保溫層時(shí)，選用XPS 板作為路基保溫材料。

圖5 不同保溫板路基中心處時(shí)間與豎向位移曲線

2.2 埋置方式

以XPS 保溫板為例，研究在距離路基頂面一定深度處埋置保溫板對(duì)保溫性能的影響，保溫板的埋置方式見表4。不同埋置方式下路基表面中心處的時(shí)間與豎向位移曲線見圖6。不設(shè)置保溫板的路基沉降量最小（即第0 天的豎向位移量不同），為4.66mm。在250mm 處設(shè)置200mm 厚保溫板的路基，其沉降量最大，為12.72mm。此外，無論保溫板如何布置，路基表面中心處的豎向位移均隨著時(shí)間（溫度）變化而發(fā)生波動(dòng)。曲線的變化幅度代表中心點(diǎn)處的凍脹融沉位移的大小，可以看出，未鋪設(shè)保溫板的方案，凍脹融沉位移最大。

表4 保溫板埋置方式

圖6 不同埋置方式下 路基中心處時(shí)間與豎向位移曲線

保溫板厚度與路基表面中心處的豎向位移差曲線見圖7。保溫板埋深與路基表面中心處的豎直方向凍脹位移曲線見圖8。路基表面中心處的豎直方向凍脹位移隨著保溫板厚度的增加呈非線性減小，且減小速率逐漸降低，曲線最終趨于平緩。這說明增大保溫板厚度能夠減小路基凍脹變形，但當(dāng)保溫板達(dá)到一定厚度后，繼續(xù)增大其厚度，對(duì)減小路基的凍脹變形量作用不大。路基表面中心處的豎向凍脹位移隨著埋深的增加呈線性增大，且曲線斜率為0.01。這說明增加保溫板的埋深，會(huì)減弱保溫板抑制路基凍脹變形的能力，且這種減弱趨勢是呈線性的。由于保溫板置于路基表面容易損壞，結(jié)合上述研究結(jié)果及經(jīng)濟(jì)考慮，建議采用板厚100mm 且埋深100mm 的鋪設(shè)方式進(jìn)行路基保溫處理。

圖7 厚度與路基表面中心最大凍脹曲線

圖8 埋深與路基表面中心最大凍脹曲線

3 結(jié)語

本文通過數(shù)值分析研究了保溫材料及其鋪設(shè)方式對(duì)季凍土路基保溫性能的影響，主要得到了以下結(jié)論：

（1）在埋深為250mm，保溫板厚度為50mm 的情況下，分別利用PU、XPS 及EPS三種保溫材料對(duì)路基進(jìn)行保溫處理，發(fā)現(xiàn)三種材料的保溫性能相似。

（2）在分析了三種保溫材料的整體強(qiáng)度、密閉性和經(jīng)濟(jì)性后，推薦使用XPS 保溫板作為路基保溫材料。

（3）對(duì)鋪設(shè)XPS 保溫板的路基，路基表面中心處的凍脹位移隨著保溫板厚度的增加呈非線性減小，隨著保溫板埋深的增加呈線性增大。

（4）綜合適用性和經(jīng)濟(jì)性考慮，推出采用板厚100mm 且埋深100mm 的鋪設(shè)方式進(jìn)行路基保溫處理。